Omslagafbeelding van BRN-Pixel – stock.adobe.com
Of het nu gaat om wind- en waterkracht of fossiele brandstoffen, de meeste energie die wereldwijd wordt opgewekt, komt oorspronkelijk van de kracht van de zon. De meest directe manier om zonlicht om te zetten in elektriciteit en het op veel manieren te gebruiken, is fotovoltaïsche energie. In dit geval wordt zonlicht opgevangen in zonnepanelen en wordt de energie van het licht omgezet in elektriciteit. Deze elektriciteit kan worden geleverd aan het huishoudelijke netwerk of aan het algemene net en kan worden gebruikt voor veelzijdige doeleinden zoals industrie, huishoudelijke apparaten, verlichting of transportmiddelen. Elektriciteit die niet direct nodig is, kan in beperkte mate worden opgeslagen en is dus beschikbaar, zelfs als de zon niet schijnt.
Hier krijgt u een overzicht van de principes achter energieopwekking met fotovoltaïsche energie. De introductie varieert van de bouw van verschillende zonnecellen tot het daadwerkelijk opwekken van elektriciteit tot het gebruik en de opslag van elektriciteit. Op blauarbeit.de vindt u installateurs voor fotovoltaïsche systemen die u graag adviseren over verdere vragen en al het werk uitvoeren als u voor deze toekomstgerichte technologie heeft gekozen.
Structuur van zonnecellen
Een zonnecel bestaat uit kristallijn silicium, dat in drie lagen op elkaar ligt. De laag die naar de zon is gericht, is gedopeerd met fosforatomen (opzettelijk verontreinigd), terwijl de kant weg van zonlicht is gedopeerd met booratomen. Terwijl siliciumatomen vier elektronen in de buitenste elektronenschil hebben, hebben fosforatomen vijf elektronen en booratomen drie elektronen. De bovenste laag (n-laag) heeft dus een overmaat aan elektronen, terwijl er in de onderste laag (p-laag) een elektronentekort is. Het gebied waar de lagen elkaar raken wordt de grenslaag of p-n-junctie genoemd. Op de twee lagen bevindt zich een metalen contact, dat vergelijkbaar is met de contacten van een batterijcompartiment van de hoogspanningslijn van de zonnecel naar het elektriciteitsnet. De zonnecel wordt aangevuld met plastic folies of glaslagen, die dienen om de cel aan beide zijden te beschermen en vuilafstotend en reflectiearm zijn gemaakt met speciale oppervlaktebehandelingen.
Hoe licht in de zonnemodule elektriciteit wordt
Als zonlicht een zonnemodule raakt, bereiken de zonnestralen het grensbereik tussen de n-laag en de p-laag vanwege de lage laagdikte. De fotonen prikkelen de overtollige elektronen in de n-laag en zorgen ervoor dat ze migreren naar de p-laag met zijn lage elektronendichtheid. In veel gevallen compenseert dit de ladingsverschillen, maar leidt het ook selectief tot een elektronentekort in het fosfor-gedopeerde gebied en een elektronenoverschot in het boor-gedopeerde gebied. De overtollige elektronen kunnen niet terug migreren door het resulterende elektrische veld, dus stromen ze door de contacten naar het elektriciteitsnet, terwijl nieuwe elektronen bij het andere contact in de zonnecel worden gevoerd. Het resultaat is een elektrische stroom die op verschillende manieren kan worden gebruikt.
Soorten zonnecellen
Monokristallijne zonnecellen
De hoogste kwaliteit, maar ook de duurste zonnecellen zijn gemaakt van monokristallijn silicium. Ze bestaan uit een enkel, zeer zuiver, zorgvuldig gekweekt siliciumkristal en zijn dienovereenkomstig duur om te produceren. Hun voordeel is het hoge rendement van 20% of meer. Geen enkele andere zonnecel zet zo’n groot deel van de invallende zonne-energie om in elektriciteit. Dit maakt zonnepanelen gemaakt van dit materiaal bijzonder interessant voor balkoncentrales en andere kleinschalige fotovoltaïsche systemen. U kunt zonnepanelen van dit materiaal herkennen aan het uniforme, zwarte oppervlak.
Polykristallijne zonnecellen
Zonnepanelen gemaakt van polykristallijne zonnecellen hebben een onderscheidend uiterlijk dat bestaat uit kleine blauwe en zwarte oppervlakken. Dit komt door de talrijke, kleine kristallen in het oppervlak van de siliciumlagen. Met ongeveer 15% is hun efficiëntie iets lager dan dat van monokristallijne zonnecellen, maar ze zijn gemakkelijker te produceren en daarom goedkoper. Vanwege hun goede prijs-prestatieverhouding zijn zonnepanelen gemaakt van dit materiaal dominant in Duitsland met een marktaandeel van 80%.
Dunne film zonnecellen
Dunnefilmzonnecellen bestaan uit amorf, d.w.z. niet-kristallijn silicium. Andere materialen zoals een cadmium telluride legering (CdTe) kunnen ook worden gebruikt. Deze materialen worden aangebracht op een oppervlakZe worden gespoten en zijn flexibel dankzij hun kleine laagdikte. Deze modules hebben een laag rendement, maar zijn aanzienlijk goedkoper te produceren dan andere zonnecellen. Ze worden dan ook vooral gebruikt waar ruimte geen rol speelt, zoals in grote zonneparken. Op daken van huizen kunnen ze echter vaak niet de gewenste prestaties leveren.
Gekleurde zonnepanelen
Een interessant alternatief voor de conventionele, zwart tot blauw gekleurde zonnepanelen zijn gekleurde zonnepanelen in het ontwerp van het dak en de gevel. Deze worden geproduceerd door het afdekglas te kleuren of te coaten met een kleurfolie die het gewenste kleureffect bereikt. De kleurdragers zijn zo ontworpen dat er zoveel mogelijk zonlicht wordt doorgegeven aan de zonnepanelen en dus het rendement niet significant wordt verminderd. Gekleurde zonnepanelen zijn nu verkrijgbaar in alle kleuren van de regenboog, maar ook in wit en metallic. Ze zijn iets duurder en slechter in efficiëntie dan niet-gekleurde zonnepanelen.
Van zonnepaneel naar net – het pad van elektriciteit
Interconnectie
In een fotovoltaïsch systeem worden tal van zonnepanelen parallel of in serie aangesloten om de gewenste prestaties te bereiken. In een parallel verbonden systeem werkt elke zonnemodule “voor zichzelf” en zijn alleen de lijnen die uit de contacten komen met elkaar verbonden. De spanning komt dus overeen met de spanning van een module, terwijl de stromen optellen. In een serieschakeling leidt het uitgaande contact van de ene zonnecel tot het inkomende contact van de volgende cel. De zonnecellen tellen hun spanning op, terwijl de stroom gelijk blijft. Hoewel het resulterende vermogen in beide gevallen hetzelfde is, hebben beide circuitschema’s voor- en nadelen. Hoewel een parallelle verbinding prestaties biedt, zelfs als een zonnemodule uitvalt en schaduwen op een zonnemodule de algehele prestaties niet sterk beïnvloeden, heeft een dergelijk fotovoltaïsch systeem sterker zonlicht nodig om de benodigde spanning te genereren. Aan de andere kant leveren zonnepanelen in serie elektriciteit in de vereiste spanning, zelfs met minder lichtinval, maar het falen of schaduwen van een zonnemodule leidt tot een onmiddellijke daling van de prestaties van het hele fotovoltaïsche systeem. De ideale interconnectie hangt dus sterk af van de individuele omstandigheden.
Voeden
Als je elektriciteit opwekt op je dak of balkon, wil je die in de meeste gevallen zelf gebruiken. Hiervoor zijn er zogenaamde plug-in zonne-energiesystemen. De installatie is heel eenvoudig, want na montage van het zonnepaneel hoeft er maar één stekker in een stopcontact te worden gestoken. Een in het apparaat geïntegreerde omvormer zet de gelijkstroom van de zonnecel om in wisselstroom. De huishoudelijke elektriciteit die op deze manier aan het net wordt geleverd, is beschikbaar in het eigen elektrische circuit van het huis of appartement en kan gratis worden gebruikt. Een teruglevering aan het openbare net vindt hier niet plaats.
Een fotovoltaïsch systeem dat ook elektriciteit aan het openbare net kan leveren, moet via een omvormer en een teruglevermeter op het openbare net worden aangesloten. Hierbij wordt onderscheid gemaakt tussen overtollige feed-in en full feed-in. Terwijl je met de overtollige feed-in eerst de eigen elektriciteitsvraag dekt met de opgewekte elektriciteit en alleen overtollig vermogen inlevert, wordt met volledige teruglevering elke watt beschikbaar gesteld aan het openbare net. Dit is minder economisch, omdat het teruglevertarief lager is dan de elektriciteitsprijs, maar het teruglevertarief hoger is voor volledige teruglevering dan voor overtollige terugleveren. Volledige teruglevering is daarom de moeite waard voor grote zonne-energiesystemen die elektriciteit produceren die veel verder gaat dan hun eigen behoeften. Het is ook mogelijk om een fotovoltaïsch systeem op te delen in overtollige feed-in en volledige feed-in.
Laadpaal, opslag en warmtepomp – alternatieven voor direct verbruik
Zodat u de goedkope en milieuvriendelijke elektriciteit die in het fotovoltaïsche systeem wordt opgewekt, kunt gebruiken, zelfs als de zon niet schijnt, zijn er enkele opslagopties. U kunt de elektriciteit bijvoorbeeld opslaan in een eigen elektriciteitsopslagsysteem en deze oproepen wanneer dat nodig is, een warmtepomp laten werken en de energie omzetten in warmte voor huishoudelijk water en verwarmingskracht of uw elektrische auto opladen via een laadpaal.